Logikanalysator mit FX2LP

Die meisten Geräte unterscheiden sich in der Eingangsschaltung.

Die in Bild 1 gezeigte Eingangsschaltung ist nicht geeignet:
Der 74HC245 schützt die Schaltung kaum und ist eigentlich nur für 3,3V-Logik geeignet.

FX2LP

Herz der Schaltung ist der FX2LP.

Der FX2LP ist ein USB 2.0 Mikrocontroller mit

• einem 16-Bit Interface, das frei programmierbar ist (GPIF),

• einem integrierten 8051 Mikroprozessor

• mit 16 kByte RAM,

• 4 kByte FIFO mit 8 bzw 16 bit Breite

• I²C Interface

• USB 2.0 Bus Interface

• 24MZ Quarzgenerator

Über das I²C Interface wird das Programm des FX2LP aus einem EEPROM geladen.

Auf der Unterseite befindet sich der Spannungsregler.

Aufbau des Logikanalysators

Der FX2LP, der 24MHz Quarz und das EEPROM bilden den Controller des Logikanalysators.

Acht Leitungen des FX2LP bilden die Eingänge des Logikanalysators.

Diese Eingänge sind über einen acht Bit breiten Bustreiber 74HC245 entkoppelt. Sie werden über einen Widerstand (R₁₁) auf 3,3V gezogen. Offene Eingänge sind somit im definierten Zustand 1. Die 100Ω (R₂₁) Widerstände bilden einen gewissen Schutz gegen fehlerhafte Spannungen am Eingang. Die LED2 zeigt den Zustand des ersten Messeingangs an.

Die Stromversorgung von 3,3V erfolgt über einen Spannungsregler aus der 5V-Versorgung des USB-Busses. Die LED1 zeigt an, dass die 3,3V Versorgung besteht.

• Die Schaltung sieht auf den ersten Blick brauchbar aus.

• Das Gerät ist laut Hersteller für Messungen an 5V- und 3,3V-Logik geeignet.

• Die maximale Eingangsspannung wird mit 5,5V angegeben.

Problematischer Aufbau

Bei näherer Betrachtung erweist sich die Konstruktion als problematisch.

Ein Logikanalysator ist ein Messgerät.

• Es kann zu fehlerhafter Bedienung kommen:

• In Schaltungen können Spannungen über 5,5V, z.B. 12V und

• negative Spannungen, z.B. -5V, auftreten.

• Der Masseanschluss des Logikanalysators kann falsch sein, z.B. an +5V.

• Die Logikanschlüsse können bereits angeschlossen werden, bevor das Gerät über den USB-Bus mit dem PC verbunden wurde.

Auf diese Fälle werden wir weiter unten näher eingehen.

Schutzschaltung des 74HC245

Der 74HC245 ist ein Standard 74HC-Bauelement mit der üblichen Schutzschaltung für Ein- und Ausgänge.

Bei 74HC-Bauelementen sind die beiden Widerstände am Eingang etwa 100Ω.

Über die untere Diode wird eine negative Spannung nach GND abgeleitet, Über die obere Diode wird eine positive Spannung nach VDD abgeleitet. Über die beiden Widerstände fließt ein Strom. Dieser Strom darf laut Datenblatt maximal 20mA für einen Eingang, aber auch für alle Eingänge zusammen betragen.

Die negative Spannung darf 2,6V (2V+Flussspannung der Diode) nicht überschreiten. Ebenso darf die positive Spannung maximal 2,6V größer als die Versorgungsspannung sein.

Eingänge des Logikanalysators

In den Eingängen des Logikanalysators befinden sich noch 100Ω Widerstände. Damit sind

• maximal -4,6V an einem Eingang erlaubt und

• maximal +7,9V (3,3V+4,6V).

Die Schutzschaltung spricht bereits an, wenn die Spannung am Eingang +3,9V überschreitet.

• 5V ist die Ausgangsspannung eines CMOS- oder HC-Gatters im 1 (H) Zustand.

• Die Eingänge des Logikanalysators sind mit 5V-Systemen nicht kompatibel.

Problem Versorgungsspannung

Wenn am Eingang eine Spannung von mehr als 3,3V + 0,6V anliegt, fließt über die obere Schutzdiode ein Strom nach VDD. Dieser Strom muss über die Schaltung abgeleitet werden. Er kann über die ICs U2 bis U4 und über die beiden LEDs fließen. Die beiden LEDs nehmen etwa 1mA auf. Das EEPROM U1 ist meistens inaktiv und verbraucht wenige µA. Wenn keine Impulse an den Eingängen anliegen, braucht der Bus-Treiber 74HC245 nur wenige µA. Der FX2LP benötigt maximal 85mA, normalerweise aber nur wenige mA.

Wenn eine hohe Spannung an den Eingängen anliegt, können 20mA und mehr fließen. Die Versorgungsspannung VDD kann dann über 3,3V gezogen werden. VDD ist die Versorgungsspannung des FX2LP. Sie darf 4V nicht überschreiten.

USB nicht angeschlossen

Der Logikanalysator wird über den USB-Bus mit Strom versorgt. Wenn der USB-Anschluss nicht angeschlossen ist, ist VDD=0V.

Wird in diesem Fall eine Spannung an einen Eingang angelegt, gelangt über die Schutzdiode am Eingang des 74HC245 eine Spannung an VDD. Der FX2LP und das EEPROM werden mit Spannung versorgt. Der FX2LP startet. Wird später der USB-Anschluss angeschlossen, spinnt der FX2LP und die Software im PC erkennt den Logikanalysator nicht.

Messungen

Die folgenden Messungen wurden an einem Eingang des Logikanalysators durchgeführt.

Ue	Ie
+5V	0,85mA
+4V	0,05mA
+3V	0,003mA
-0,6V	-0,1mA
-1V	-0,36mA
-2V	-1,2mA

Höhere Spannungen wurden nicht angelegt, um den Logikanalysator nicht zu beschädigen.

Der fatale Fall

Besonders nachteilig kann es sich auswirken, wenn der Masseanschluss des Logikanalysators mit der positive Stromversorgung, z.B. +5V der gemessenen Schaltung verbunden wird. In diesem Fall sind die Spannungen aller Eingänge negativ.

Fatal ist es, wenn der Masseanschluss des untersuchten Gerätes geerdet ist. Der USB-Bus vom PC ist in der Regel auch geerdet.

Wird die Masseleitung des Logikanalysators auf z.B. +5V gelegt, wird die Versorgungsspannung des gemessenen Gerätes über den USB-Bus kurzgeschlossen. Dies kann fatale Folgen für das gemessene Gerät aber auch für den PC haben.